盘基网柄菌——研究胞外诱捕起源和机制的模型

薛德明 侯连生

(河南师范大学生命科学学院 新乡 453007) (华东师范大学生命科学学院 上海 200241)

中性粒细胞作为固有免疫系统的重要细胞，是机体抵御病原体入侵的第一道防线。机体感染病原体后，中性粒细胞在趋化因子作用下，聚集到感染部位，通过吞噬作用或脱颗粒方式消灭病原体。2004年，Brinkmann等发现，用细菌、脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)等刺激中性粒细胞，活化后的中性粒细胞在死亡过程中会释放染色质DNA和蛋白颗粒到胞外形成网状结构，即胞外诱捕网(extracellular traps, ETs)，该结构具有抗菌作用[1]。最近有研究发现，社会变形虫盘基网柄菌(Dictyosteliumdiscoideum)发育过程中产生的固有免疫细胞──前哨细胞(sentinel cells)也能够产生胞外诱捕现象[2]。变形虫约在10亿年前出现，是后生动物的祖先，因此利用盘基网柄菌研究胞外诱捕，对认识固有免疫细胞的起源、演化和保守机制有重要意义。本文就胞外诱捕的概念、作用以及盘基网柄菌作为研究胞外诱捕起源和机制所具备的优势作一简要综述。

1 胞外诱捕现象及其生理作用和病理作用

1.1 胞外诱捕现象 多种刺激物能够激活中性粒细胞，如病原体、佛波醇-豆蔻酸-乙酸酯(phorbol myristate acetate, PMA)、白介素-8(interleukin-8, IL-8)或脂多糖，激活后的中性粒细胞在死亡过程中释放染色质DNA和很多颗粒物形成三维网状结构，这种现象被称为胞外诱捕。

中性粒细胞在形成胞外诱捕网过程中的死亡不同于凋亡或坏死。其表现为：圆形细胞变为扁平状，紧密黏附于基底层上，胞核分叶消失，核膜及细胞器膜破裂，染色质解旋，释放核颗粒，核内物质与胞质融合，最终胞膜破裂，细胞内容物释放形成纤维状结构。

胞外诱捕网纤维直径为15～17 nm，颗粒直径25～28 nm。颗粒中的主要成分由中性粒细胞弹性蛋白酶、组织蛋白酶、髓过氧物酶、白明胶酶、组蛋白和乳铁传递蛋白组成[1，3，4]。

随着研究的逐步深入，发现肥大细胞、嗜酸性粒细胞也能够产生胞外诱捕。肥大细胞和中性粒细胞一样，在细胞死亡过程中产生胞外诱捕，其网状纤维来自于染色质DNA，而嗜酸性粒细胞并不死亡，其网状纤维来自于线粒体DNA[5，6]。

1.2 生理作用 胞外诱捕能够捕获病原体，将其束缚在三围网状结构中，防止其扩散，如金黄色葡萄球菌、伤寒沙门氏杆菌、弗氏志贺菌等革兰氏阳性和革兰氏阴性菌，以及真菌、原生动物和病毒[1，7]。

胞外诱捕网颗粒中含有多种抗菌蛋白。如弹性蛋白酶和组织蛋白酶能够降解病原体及其毒力因子。髓过氧物酶催化过氧化氢和氯离子产生次氯酸盐，并形成具有氧化能力的自由基来杀伤致病原。乳铁传递蛋白是一种与铁原子结合的糖蛋白，具有较强抗菌、抗病毒作用[8]。胞外诱捕网在提高感染部位抗菌蛋白浓度的同时，也限制了这些蛋白向周围组织扩散，从而避免对正常组织的破坏。

1.3 病理作用 近年来，发现胞外诱捕对宿主也会产生一些毒副作用，导致疾病。发生机制可能是由于机体未及时清除胞外诱捕网及其中颗粒成分所引起。

据报道，胞外诱捕可能会诱发自身免疫性疾病[9]。该病是机体对自身抗原发生免疫反应而导致自身组织损伤所引起的疾病。自身免疫性疾病种类繁多，有局部性的，也有系统性的，发病机制复杂，但其基本过程都是由于自身细胞内抗原释放到胞外或自身抗原发生改变所引起的。胞外诱捕网中的成分DNA、组蛋白等作为自身抗原，都可能诱发免疫反应，累及机体自身[9]。

另外，血管内发生的胞外诱捕有可能为血栓形成提供支架和刺激环境，从而导致血小板聚集、黏附和激活，促进红细胞陷入其中、白细胞积聚、纤维蛋白沉积等，形成血栓[10]。

2 盘基网柄菌及其胞外诱捕防御现象

2.1 盘基网柄菌 盘基网柄菌是一种社会性变形虫，在进化地位上处于真菌和后生动物分枝之前，属于黏菌虫类(Mycetozoa)[11]。营养充足时，盘基网柄菌通过有丝分裂产生子细胞，处于未分化的单细胞状态。饥饿诱导发育程序，大约105个细胞聚集形成可以移动的多细胞蛞蝓体，接下来分化终止并产生子实体。

在蛞蝓体阶段，仅有前哨细胞保持着原有单细胞期的吞噬能力，可以在蛞蝓体内移动，捕获并清除入侵的病原体，在多细胞体内作为固有免疫细胞发挥防御作用。

2.2 盘基网柄菌胞外诱捕防御现象 最近，发现盘基网柄菌前哨细胞在克雷伯氏菌或脂多糖刺激下，无论在多细胞体内还是在体外，能够产生胞外诱捕现象，并发现其网状纤维来源于线粒体DNA[12]。这类现象说明胞外诱捕发生在后生动物出现之前，在进化中具有保守性，同时也发生一些改变。

3 利用盘基网柄菌研究胞外诱捕现象的优势

3.1 盘基网柄菌前哨细胞与中性粒细胞具有相同或相似的胞外诱捕形成机制 研究发现，活化的中性粒细胞通过Toll样受体途径(Toll-like receptor pathways)刺激烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶2(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase 2, NADPH oxidase 2, Nox2)产生大量活性氧(reactive oxygen species, ROS)，形成胞外诱捕[13]。

盘基网柄菌中含有TirA蛋白，TirA蛋白上具有Toll/interleukin受体(TIR)结构域，对于前哨细胞清除病原体非常重要。此外，盘基网柄菌中有三种酶NoxA、NoxB和NoxC与人类Nox2酶高度同源。因此，从进化角度看，检验它们在胞外诱捕中的作用显得非常重要。Zhang等用基因敲除法，构建了盘基网柄菌TirA无效突变体和NoxA、NoxB、NoxC三基因无效突变体，发现它们能够完成整个发育过程，并在蛞蝓体期产生哨兵细胞，但与野生型相比，两种突变体产生的ROS明显减少。

此外，用脂多糖刺激前哨细胞，两种突变体产生的胞外诱捕结构也明显减少[12]。这些实验说明盘基网柄菌前哨细胞与中性粒细胞具有相同或相似的胞外诱捕形成机制。

3.2 盘基网柄菌自身特点 从进化角度来看，盘基网柄菌发生早于后生动物，与中性粒细胞有着相同或相似的细胞行为，如趋化性、吞噬作用和自噬作用。从遗传角度看，盘基网柄菌属于单倍体，而且很多基因与人类高度同源，易于遗传操纵。因此，盘基网柄菌可以作为研究胞外诱捕起源和机制的模型。

4 结束语

综上所述，胞外诱捕的形成是一个十分复杂的过程，需要多种因素共同调节。尽管相关研究逐步推进，但是还有很多问题悬而未决。例如，中性粒细胞在产生胞外诱捕过程中发生死亡，诱捕产生的网状纤维来源于染色质DNA；而前哨细胞、嗜酸性粒细在胞外诱捕过程中不会发生死亡，诱捕产生的网状纤维来源于线粒体DNA。因此，进一步研究胞外诱捕的起源、进化机制以及在固有免疫系统进化过程中所起的作用，可以为深入了解其产生机制提供帮助，以期为未来药物开发提供理论依据。毫无疑问，盘基网柄菌将为解决这些问题发挥重要作用。